旋轉(zhuǎn)自動(dòng)門控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì).doc

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1、 目 錄中文摘要英文摘要1緒論21.1 課題背景21.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)31.3 本設(shè)計(jì)的工作32 PLC與變頻器的應(yīng)用62.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展62.2 PLC的組成與工作原理72.3 變頻調(diào)速技術(shù)的方式及原理123設(shè)計(jì)思想與方案論證173.1 設(shè)計(jì)方案173.2 論證分析194系統(tǒng)設(shè)計(jì)224.1硬件設(shè)計(jì)224.2 軟件設(shè)計(jì)354.3 系統(tǒng)調(diào)試395系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)435.1 變頻器的諧波及抗干擾設(shè)計(jì)435.2 PLC的抗干擾設(shè)計(jì)455.3 PLC與變頻器相連時(shí)的抗干擾設(shè)計(jì)475.4系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)48結(jié)論49參考文獻(xiàn)50附錄1總電路圖48附錄2 PLC外部接線圖49附錄3控制面板50附錄4元器

2、件表51附錄5 PLC程序梯形圖52致謝541緒論自從20世紀(jì)80年代以來，變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)化國家已開始了規(guī)?；膽?yīng)用。80年代末，我國的民用及工業(yè)建筑電氣設(shè)計(jì)等領(lǐng)域也開始使用變頻調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)在，變頻器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)的速度控制，其最主要的特點(diǎn)是具有高效率的驅(qū)動(dòng)性能及良好的控制特性?？删幊绦蚩刂破魍冾l器一樣，也是近年來迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的新一代電氣控制裝置。利用可編程序控制器設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合變頻器來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)門電機(jī)調(diào)速，操作方便，控制性能高，使旋轉(zhuǎn)門旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。另外，在提高旋轉(zhuǎn)門安全性的同時(shí)，還可以達(dá)到節(jié)能的效果，是一種很好的交流調(diào)速方式。1.1 課題背景隨著社會(huì)的發(fā)展，自

3、動(dòng)旋轉(zhuǎn)門越來越多，在較大的商家、賓館或金融大廈，一般都有一臺(tái)或幾臺(tái)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門。它具備通行能力強(qiáng)，入口較大的特點(diǎn)，是非常安全和舒適的通道，能使行人很方便得出入。1903年寶盾公司在荷蘭生產(chǎn)出第一座旋轉(zhuǎn)門，旋轉(zhuǎn)門至今已有一百年的歷史，發(fā)展到今天，旋轉(zhuǎn)門已具有可靠的安全系統(tǒng)和先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其智能化高格調(diào)的設(shè)計(jì)為現(xiàn)代化樓宇建筑的出入口提供了完美的選擇。我國的全自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門技術(shù)來源于荷蘭、瑞典、日本等國。90年代后期旋轉(zhuǎn)門開始在我國建筑領(lǐng)域中得到迅速推廣和廣泛的使用。旋轉(zhuǎn)門的廠家：國外著名廠家有：荷蘭的B00N EDAM; 瑞典的BESAM; 德國的多瑪、蓋澤; 日本的納博克、寺岡等。國內(nèi)專業(yè)廠家：北京

4、有凱必盛、寶盾、青木、智輝、巨方圓、信步等。外省市有上?？涤?、廣州盛維、沈陽金海、青島帝盟等。旋轉(zhuǎn)門在我國的市場(chǎng)前景：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長，2008年北京申奧成功和WTO的加入。從本世紀(jì)開始，我國進(jìn)入了全面建設(shè)小康社會(huì)的新階段，創(chuàng)造美好生活環(huán)境是裝飾業(yè)發(fā)展的巨大推動(dòng)力?，F(xiàn)代城市建筑物裝飾裝修中，將高科技應(yīng)用到建筑物的外觀形象上，使城市建筑的入口體現(xiàn)出智能化。對(duì)門的選擇由單一的功用型向個(gè)性化、品位化發(fā)展，旋轉(zhuǎn)門以其全新的概念，寬敞開放的門面和高格調(diào)的設(shè)計(jì)，自然成為當(dāng)代的建筑裝飾的主流，無可質(zhì)疑的必選設(shè)施，堪稱建筑物的點(diǎn)睛之筆。隨著旋轉(zhuǎn)門的普及，對(duì)旋轉(zhuǎn)門的控制系統(tǒng)的控制要求也就越來越高。

5、因此，要求旋轉(zhuǎn)門控制系統(tǒng)在控制上具有更高的自動(dòng)化和智能化?，F(xiàn)在，可編程控制器可與變頻器組成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，提高控制交流電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)化水平?？删幊炭刂破魇俏C(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制相結(jié)合的產(chǎn)物。它把計(jì)算機(jī)的功能完備、通用性和靈活性好等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的操作方便、簡單易懂、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，是一種適用于工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置，在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有非常重要的地位。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，可編程控制器執(zhí)行順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、邏輯判斷、算術(shù)運(yùn)算等功能。它解決了工業(yè)控制系統(tǒng)中大量開關(guān)量的控制問題，取代體積大、耗能多、故障率高的繼電器控制系統(tǒng)，消除由于硬接線所造成的故障，提高控制系統(tǒng)的可靠性。 隨著

6、控制理論、交流調(diào)速理論和電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)也得到充分得重視和發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已日趨完善，變頻調(diào)速技術(shù)用于交流異步電機(jī)調(diào)速，其性能勝過以往任何一種交流調(diào)速方式。與傳統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)如直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速相比，變頻調(diào)速具有極大的優(yōu)越性，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)體積小，重量輕、控制、控制精度高、保護(hù)功能完善、工作安全可靠、操作過程簡便、通用性強(qiáng)，使傳動(dòng)論證系統(tǒng)具有很優(yōu)良的性能。此外，由于異步電動(dòng)機(jī)還具有對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便等許多直流電動(dòng)機(jī)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因而成為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最新潮流。再者，變頻器的外部接口功能越來越豐富，可以很方便地作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)部件使用，構(gòu)成所需要的自動(dòng)

7、控制系統(tǒng)。而且，以變頻器為中心的變頻調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)去拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等機(jī)械時(shí)，與常規(guī)的不調(diào)速電機(jī)相比，節(jié)能效果十分可觀。使用變頻器構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，它需要接收來自自控系統(tǒng)的頻率指令信號(hào)和其他運(yùn)行控制信號(hào)等，并給信號(hào)提供變頻器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。在許多情況下，變頻器需要和可編程控制器等上位機(jī)配合使用。利用可編程控制器的開關(guān)量輸入輸出模塊控制變頻器多功能輸入端，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo) 設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)門控制系統(tǒng)具體化技術(shù)指標(biāo)如下：（1）系統(tǒng)的基本功能：人數(shù)較少時(shí)，正常速度運(yùn)轉(zhuǎn)；人數(shù)較多時(shí)，加速運(yùn)轉(zhuǎn)；無人接近旋轉(zhuǎn)門時(shí)，停止；按殘疾人專用按鈕，旋轉(zhuǎn)門低速運(yùn)行；按停止按

8、鈕，電機(jī)停轉(zhuǎn)。（2）系統(tǒng)安全措施：行人被夾，迅速制動(dòng)，解脫后，自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。能對(duì)旋轉(zhuǎn)門各運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示，出故障時(shí)，能進(jìn)行聲光報(bào)警。1.3 本設(shè)計(jì)的工作詳細(xì)分析課題任務(wù)，熟悉可編程控制器和變頻調(diào)速技術(shù)的原理，深入研究可編程控制器和變頻器的實(shí)際應(yīng)用，然后根據(jù)課題任務(wù)的要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制系統(tǒng)，按照PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與步驟，完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最后對(duì)系統(tǒng)的抗干擾措施進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。1.3.1 設(shè)計(jì)原則PLC控制系統(tǒng)是為工藝流程服務(wù)的，所以它首先要能很好地實(shí)現(xiàn)工藝提出的控制要求。PLC控制系統(tǒng)應(yīng)遵循以下原則：（1）根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求設(shè)計(jì)出來的控制系統(tǒng)能最大限度地滿

9、足控制要求。（2）在滿足控制要求的前提下，盡量減少PLC系統(tǒng)硬件費(fèi)用。（3）考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮PLC的可擴(kuò)展性。（4）控制系統(tǒng)使用和維護(hù)方便、安全可靠。1.3.2 設(shè)計(jì)步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟如圖1.1所示，具體操作如下1。實(shí)際在本設(shè)計(jì)中采用了前面的七個(gè)步驟。 （1）控制要求分析在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)之前，必須對(duì)工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解控制對(duì)象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計(jì)出令人滿意的控制系統(tǒng)。（2）確定輸入/輸出設(shè)備 根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等）和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器等）。

10、并根據(jù)所選用的輸入/輸出設(shè)備的類型和數(shù)量，確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。（3）選擇合適的PLC 確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)后，就根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)，控制要求等來繼續(xù)PLC的選擇。包括機(jī)型、存儲(chǔ)器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊等。（4）I/O點(diǎn)數(shù)分配點(diǎn)數(shù)分配就是規(guī)定PLC的I/O端子和輸入/輸出設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，畫出I/O接線原理圖。（5）PLC程序設(shè)計(jì)本階段就是根據(jù)控制對(duì)象和控制要求對(duì)PLC進(jìn)行編程。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號(hào)和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，然后畫出程序流程圖，最后再進(jìn)行程序編制。（6） 模擬調(diào)試程序編好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬

11、量，進(jìn)行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。（7）現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將PLC和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實(shí)際問題，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。（8）整理技術(shù)文件這一步主要包括整理和設(shè)計(jì)有關(guān)的文檔，包括設(shè)計(jì)說明書、電氣原理圖、程序清單和使用說明書等。圖1.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟2 PLC與變頻器的應(yīng)用本章作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論部分，主要介紹了PLC與變頻調(diào)速技術(shù)的產(chǎn)生、原理及發(fā)展，并對(duì)變頻器的結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行了闡述。 2.1 PLC的產(chǎn)生與發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的

12、數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC），現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，

13、專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30%至40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力

14、強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。21世紀(jì)，PLC會(huì)有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計(jì)和制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國際競(jìng)爭(zhēng)的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國際市場(chǎng)的局面，會(huì)出現(xiàn)國際通用的編程語言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制

15、計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。2.2 PLC的組成與工作原理2. 2.1 PLC的組成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為整體式和模塊式兩種。整體式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置

16、。PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由CPU、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路組成2。如圖2.1所示圖2.1 PLC結(jié)構(gòu)簡圖（1）中央處理器（CPU）CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線

17、構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。（2）存儲(chǔ)器根據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)內(nèi)容的不同，我們把存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器：用來存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，是PL

18、C廠家根據(jù)選用的CPU的指令系統(tǒng)辨編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內(nèi)容。用戶程序存儲(chǔ)器：用來存放用戶話劇控制要求編制的程序。不同類型的PLC，其存儲(chǔ)容量也不一樣。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：用以存放PLC運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。因?yàn)檫\(yùn)行中數(shù)據(jù)不斷變化，所以這種存儲(chǔ)器必須可讀寫。（3）I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI）、開關(guān)量輸出（DO）、模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。開關(guān)

19、量是指只有開和關(guān)（或1和0）兩種狀態(tài)的信號(hào)，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA，0-20mA）、電壓型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。除了上述通用I/O外，還有特殊I/O模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。（4）電源部分PLC電源用于為PLC各模塊的集

20、成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。除了以上介紹的這幾個(gè)主要部分外，PLC還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及A/D、D/A、串行通信模塊等，可以十分方便地用電纜進(jìn)行連接。2.2.2 PLC的工作過程及原理（1）PLC的工作過程 PLC運(yùn)行時(shí)內(nèi)部進(jìn)行的一系列操作可分為四大類：故障診斷及處理、數(shù)據(jù)輸入與輸出、執(zhí)行用戶程序、服務(wù)于外設(shè)命令3。PLC中的CPU按分時(shí)原則操作順序進(jìn)行，即每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。這種分時(shí)操作的過程稱為對(duì)程

21、序的掃描。CPU的掃描過程也就是PLC的工作過程，如圖2.2所示：輸出刷新執(zhí)行用戶程序輸入刷新通信自診斷RUN上電服務(wù)于外設(shè)故障處理圖2.2 PLC掃描工作過程PLC處理I/O信號(hào)的過程如圖2.3所示。其工作過程分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新階段。PLC以掃描工作方式將所有輸入信號(hào)讀入到輸入映像寄存器中存儲(chǔ)（輸入刷新）。用戶程序執(zhí)行時(shí)按從上到下、從左到右的順序掃描每條指令，并分別從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器獲得所需數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理，再將程序執(zhí)行效果寫入輸出映像寄存器。在執(zhí)行完所有用戶程序后，將輸出映像寄存器的值送到輸出鎖存器（輸出刷新）以驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備。PLC是以掃描方式進(jìn)行工作的，即P

22、LC對(duì)信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)的處理和控制信號(hào)的輸出分別在一個(gè)掃描周期內(nèi)的不同時(shí)間間隔里以批處理方式進(jìn)行。在一個(gè)工作周期內(nèi)，輸入/輸出映像寄存器的信息保持不變。每次執(zhí)行完用戶程序后，如果沒有外設(shè)命令，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)循環(huán)地掃描運(yùn)行。元件受控信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)讀寫讀刷新輸出采樣輸入輸入端子輸入緩沖器輸入印象寄存器用戶程序執(zhí)行輸出印象寄存器輸出鎖存器輸出端子圖2.3 PLC對(duì)輸入輸出的處理過程（2）PLC的工作原理可編程控制器的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理基本一致，通過執(zhí)行用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制任務(wù)。但是在時(shí)間上，可編程控制器執(zhí)行任務(wù)是串行的，與繼電器邏輯控制系統(tǒng)中控制任務(wù)有所不同4。可編程序控制器的工作過程如上所述是以循環(huán)掃

23、描的方式進(jìn)行的，在一個(gè)掃描周期中，程序?qū)Ω鱾€(gè)過程輸入信號(hào)進(jìn)行采樣、運(yùn)算和處理，并把運(yùn)算結(jié)果輸出到相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這個(gè)執(zhí)行周期中，一些輸入變量可能有所變化，而有些輸入變量可能沒有變化，相應(yīng)的有些輸出變量有變化，而有些輸出變量沒有變化。在可編程序控制器中，采用循環(huán)掃描方式，不斷地對(duì)輸入和輸出變量進(jìn)行采樣、運(yùn)算和輸出，使得滿足程序條件的變量能及時(shí)得到處理并有相應(yīng)的輸出，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。在程序執(zhí)行時(shí)，如果在一個(gè)掃描周期中，這個(gè)變量的條件滿足時(shí)，程序?qū)⑻幚磉@個(gè)變量。采用循環(huán)掃描的方式，由于掃描周期的時(shí)間很短，只要變量滿足條件的時(shí)間大于掃描周期，該變量滿足條件時(shí)就能被可編程序控制器的程序處理。PLC的這

24、種“串行”工作方式，可以避免繼電-接觸器控制中觸點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序的失配問題，這是PLC可靠性高的原因之一。2.2.3 PLC程序設(shè)計(jì)語言在PLC中有多種程序設(shè)計(jì)語言,它們是梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構(gòu)化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設(shè)計(jì)語言，它通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單的控制功能，例如，代替繼電器、計(jì)數(shù)器、計(jì)時(shí)器完成順序控制和邏輯控制等，通過擴(kuò)展或增強(qiáng)指令集，它們也能執(zhí)行其它的基本操作。這兩種編程語言用的最為廣泛。2.2.4 梯形圖程序設(shè)計(jì)語言梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是用梯形圖的圖形符號(hào)來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。采用梯

25、形圖程序設(shè)計(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。梯形圖是用來描繪輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系的，與繼電器、接觸器控制電路十分類似。各類繼電器的基本符號(hào)如圖2.4所示。 圖2.4 梯形圖的基本符號(hào)梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是：（1）與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；（2） 原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對(duì)電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學(xué)習(xí)；（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時(shí)，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對(duì)待；（4）與布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于相互轉(zhuǎn)換和程序的檢查。2.3 變頻調(diào)速

26、技術(shù)的方式及原理2.3.1變頻調(diào)速技術(shù)的方式交流調(diào)速技術(shù)自問世到現(xiàn)在，經(jīng)歷了幾十年的過程，先后出現(xiàn)了多種調(diào)速方式，直到現(xiàn)在，一些調(diào)速方式仍然繼續(xù)在一些生產(chǎn)過程中使用5。由電機(jī)學(xué)可知，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為 （2.1）式中 -同步轉(zhuǎn)速（）-定子頻率（即電源頻率 ）-磁極對(duì)數(shù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： （2.2）式中 -轉(zhuǎn)差率從上式可知，要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)從改變、三個(gè)分量入手，因此，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式相應(yīng)可分為三種：即變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。（1）變極調(diào)速對(duì)鼠籠式異步電機(jī)可通過改變電機(jī)繞組的接線方式，使電機(jī)從一種極對(duì)數(shù)變?yōu)榱硪环N極對(duì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的有極調(diào)速。這一

27、調(diào)速方法適用于不需要平滑調(diào)速的場(chǎng)合，變極調(diào)速所需設(shè)備簡單，價(jià)格低廉，工作也比較可靠。一般為兩種速度，三種速度以上的變極調(diào)速電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用較少。變極調(diào)速的關(guān)鍵在于繞組設(shè)計(jì)，以最少的繞組抽頭和改變以達(dá)到最好的電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)。定子繞組的不同接法可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速及近似恒功率調(diào)速。此方法適用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速對(duì)于饒線式異步電動(dòng)機(jī)，可通過調(diào)節(jié)串聯(lián)在轉(zhuǎn)子繞組中的電阻值（調(diào)阻調(diào)速）、在轉(zhuǎn)子電路中引入附加的轉(zhuǎn)差電壓（串級(jí)調(diào)速）、調(diào)整電機(jī)定子電壓（調(diào)壓調(diào)速）以及采用電磁轉(zhuǎn)差離合器（電磁離合器調(diào)速）改變氣隙磁場(chǎng)等方法均可實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)差S，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速盡管效率不高，但在

28、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)中仍占有重要的地位，特別是轉(zhuǎn)差功率得到回收利用的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，更是現(xiàn)代大容量風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速節(jié)能的重要手段。（3）變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，在調(diào)速過程中從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。可以認(rèn)為，變頻調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)的一種比較合理和理想的調(diào)速方法。2.3.2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理由電機(jī)學(xué)可知，定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動(dòng)勢(shì)。其三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是： （2.3）式中：-氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，單位為； -定子頻率，

29、單位為； -定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； -與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)； -每極氣隙磁通量，單位為。由式2.3可知，如果定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值不變，改變定子頻率時(shí)就會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況：如果大于電機(jī)的額定頻率，那么氣隙磁通量就會(huì)小于額定氣隙磁通量。其結(jié)果是：盡管電機(jī)的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費(fèi)，但是在機(jī)械條件允許的情況下長期使用不會(huì)損壞電機(jī)6。如果小于電機(jī)的額定頻率，那么氣隙磁通量就會(huì)大于額定氣隙磁通量。其結(jié)果是：電機(jī)的鐵心產(chǎn)生過飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重知會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，在不損壞電機(jī)的條件下，充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩的能力，最好在變頻時(shí)保持每極磁通量為額定值不變。

30、對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，盡管存在電樞反應(yīng)，但只要對(duì)電樞反應(yīng)作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，保持不變是很容易做到的。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)合成產(chǎn)生的，如何才能保持磁通基本不變呢？（1）基頻以下調(diào)速由式2.3可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低，使=常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓，則得 =常數(shù) （2.4）這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比條件下改變頻率時(shí)，我們能夠證明：機(jī)械特性基本上是平行下移的，如圖2.5所示。圖2.5 基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

31、這和他勵(lì)直流變壓調(diào)速的特性相似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，特性曲線就折回來了。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電機(jī)都能在溫升允許條件下長期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時(shí)磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩也恒定。根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。低頻時(shí)，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。這時(shí)，可以人為得把電壓抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。（2）基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從往上增高，但電壓卻不能超過額定電壓，最多只能保持。由式2.3可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。在基頻以上變頻

32、調(diào)速時(shí)，由于電壓不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如圖2.6所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動(dòng)勢(shì)必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。由于轉(zhuǎn)矩升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以，基頻以上調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。圖2.6 基頻以上調(diào)速時(shí)機(jī)械特性把基頻以下和基頻以上兩種情況和起來，可的圖2.7所示的異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性。應(yīng)該注意，以上所分析的機(jī)械特性都是在正弦波電壓供電下的情況。如果電壓源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲變形，并增加電機(jī)中的損耗。因此，在選購變頻器時(shí)，變頻器輸出的諧波越小越好。通過分析可得如下結(jié)論：當(dāng)時(shí)，變頻器裝置必須在改變輸出頻率的同時(shí)改變

33、輸出電壓的幅值，才能滿足對(duì)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本要求。 圖2.7 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性3設(shè)計(jì)思想與方案論證本章主要對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了選擇和論證。分析可知，本設(shè)計(jì)實(shí)際上是要設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)門電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。而從調(diào)速控制原理上可將調(diào)速系統(tǒng)分為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求不高的簡單用途，例如泵類及風(fēng)機(jī)、簡單的運(yùn)輸機(jī)械傳動(dòng)，選用開環(huán)控制。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，電機(jī)調(diào)速性能要求不高，只要實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速就可以了，所以調(diào)速系統(tǒng)選用開環(huán)控制。3.1 設(shè)計(jì)方案方案一：單片機(jī)控制直流電機(jī)（1）硬件組成：主要由傳感器、信號(hào)變換電路、單片機(jī)、鍵盤電路、光電耦合器、功率放大電路、直流電機(jī)等組成。（2

34、）工作原理外部傳感器負(fù)責(zé)將感應(yīng)到的旋轉(zhuǎn)門現(xiàn)場(chǎng)情況經(jīng)過信號(hào)變換電路后轉(zhuǎn)變成單片機(jī)可以接受的電平信號(hào)，鍵盤電路負(fù)責(zé)接收外部命令，都發(fā)送到單片機(jī)中。單片機(jī)接收命令后，運(yùn)行相關(guān)程序，通過PWM端口輸出PWM脈沖波，經(jīng)過光電耦合器，再通過功率放大電路將PWM脈沖波信號(hào)進(jìn)行電流和電壓放大，使電機(jī)隨著不同的PWM脈沖波信號(hào)作正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、快轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)和停止等，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)門運(yùn)行在不同狀態(tài)。（3）系統(tǒng)原理框圖圖3.1 方案一系統(tǒng)原理框圖方案二：PLC控制交流電機(jī)（1）硬件組成主要由操作面板、PLC、定位行程開關(guān)、接近傳感器、防夾傳感器、交流電機(jī)等組成。（2）工作原理在PLC構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器將旋轉(zhuǎn)門現(xiàn)場(chǎng)信息

35、直接送入PLC中，操作面板可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)門控制一些手動(dòng)操作，PLC負(fù)責(zé)把來自傳感器和操作面板的信息收集、處理后，驅(qū)動(dòng)接觸器，從而完成對(duì)交流電機(jī)的控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。（3）系統(tǒng)原理框圖圖3.2 方案二系統(tǒng)原理框圖方案三：PLC控制變頻器來驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)（1）硬件組成主要由操作面板、PLC、變頻器、定位行程開關(guān)、接近傳感器、防夾傳感器、交流電機(jī)等組成。（2）工作原理在PLC和變頻器構(gòu)成的開環(huán)速度控制系統(tǒng)中，通過對(duì)變頻器多功能輸入端的設(shè)定，可設(shè)定多級(jí)速度頻率，并可通過外部信號(hào)的選擇使用某一級(jí)速度。PLC把來自旋轉(zhuǎn)門現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)、變頻器的狀態(tài)信息以及操作面板的操作信息，經(jīng)過收集、處

36、理后，完成對(duì)變頻器的多功能輸入端的控制，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)多級(jí)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使旋轉(zhuǎn)門的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化控制。（3）系統(tǒng)原理框圖圖3.3 方案三系統(tǒng)原理框圖3.2 論證分析：下面從三個(gè)方面對(duì)這三種方案進(jìn)行分析：（1）控制器比較：方案一采用的控制器是單片機(jī)，而方案二和方案三的控制器都是PLC。兩種控制器的比較如下。單片機(jī)是一種芯片，在一定場(chǎng)合，配合外圍電路，可以用來設(shè)計(jì)所需要的各種功能，大都用匯編語言、C語言等來開發(fā)嵌入式軟件，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域7。單片機(jī)的可靠性：由于目前國內(nèi)市場(chǎng)上的單片機(jī)芯片的品質(zhì)良莠不齊，很大一部分還是國外篩選出來的次等品，加上其它外圍元件（如電阻、電容等）的參數(shù)離散性也很大，批

37、量小的產(chǎn)品不可能經(jīng)過篩選配對(duì)等技術(shù)處理，因此這樣的產(chǎn)品很難做到很好的一致性和高可靠性，因?yàn)槿我辉膮?shù)偏離設(shè)計(jì)要求都會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。另外，單片機(jī)的所有器件均不是工業(yè)級(jí)的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力很弱，而國內(nèi)的電源一般都很差，因此，更可能引起單片機(jī)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。單片機(jī)的可擴(kuò)展性：由于單片機(jī)的線路是根據(jù)一定的功能要求特別設(shè)計(jì)的，所以要增加一個(gè)功能就要重新設(shè)計(jì)線路，而且對(duì)應(yīng)的程序都要重新設(shè)計(jì)。這樣對(duì)于增加功能的開發(fā)成本和周期都會(huì)增加。 單片機(jī)的可維護(hù)性：一旦單片機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，很難診斷出故障元件，最簡單的方法是更換整個(gè)系統(tǒng)，這樣維修成本增加了。操作：單片機(jī)系統(tǒng)的操作采用的鍵盤，設(shè)定數(shù)據(jù)用撥

38、碼開關(guān)，顯示用LED，整個(gè)面板顯得繁鎖，而且為了減少操作鍵，設(shè)計(jì)時(shí)往往一鍵多用，操作人員很難脫開說明書操作。特別是故障顯示只能顯示故障代碼，一旦發(fā)生故障，操作人員必須翻閱說明書方能發(fā)現(xiàn)故障所在，最終按說明書指示排除故障，這樣排除故障的時(shí)間相對(duì)較長?？傊?，這樣的人機(jī)對(duì)話不夠友善。 PLC是一種可編程的控制器，相當(dāng)于一種控制設(shè)備，主要用于工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，大都采用梯形圖編程，也可以用組態(tài)軟件。PLC控制開關(guān)量的能力是很強(qiáng)的。PLC的硬件結(jié)構(gòu)是可變的，軟件程序是可編的，用于控制時(shí)，非常靈活。必要時(shí)，可編寫多套，或多組程序，依需要調(diào)用。它很適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多工況、多狀態(tài)變換的需要。PLC的可靠性：進(jìn)口P

39、LC采用的CPU都是生產(chǎn)廠家專門設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)專用處理器，其余各元件也是直接向生產(chǎn)廠家購買的，經(jīng)過嚴(yán)格挑選的工業(yè)級(jí)元件，另外它的電源模塊也是集各大公司工業(yè)控制的經(jīng)驗(yàn)而特別設(shè)計(jì)的，抗干擾性特別是抗電源干擾能力有很大提高，即使在電源很差和變頻調(diào)速的干擾下仍能正常工作。 PLC的可擴(kuò)展性：要增加一個(gè)功能只要增加相應(yīng)的模塊和修正對(duì)應(yīng)的程序，而PLC的編程相對(duì)比較簡單，這樣對(duì)于開發(fā)周期會(huì)縮短。PLC的可維護(hù)性：PLC本身有很強(qiáng)的自診斷功能，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，根據(jù)自診斷很容易診斷出故障元件，即使非專業(yè)人員也能維修，如果故障由于程序設(shè)計(jì)不合理引起，由于它提供完善的調(diào)試工具，要找出故障也較為簡單。操作：在后面兩

40、種方案中，PLC的操作都是采用操作面板。操作按鈕少，而且操作方便，這就降低了對(duì)操作人員的要求。這樣的人機(jī)界面比較受操作人員歡迎。（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式：方案一：采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制的調(diào)速方式。PWM調(diào)速方法通常采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為主開關(guān)元件，通過改變開關(guān)元件的導(dǎo)通方式及通斷比來改變輸出電壓的大小與極性，即改變電機(jī)電樞兩端的電壓的大小和極性，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。這種調(diào)速方法具有開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是這種調(diào)速方式很容易在單片機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，因此具有不錯(cuò)的發(fā)展前景。方案二：直接通過PLC對(duì)交流接觸器的控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)勻速正反轉(zhuǎn)

41、，但是不能變速轉(zhuǎn)動(dòng)。方案三：采用變頻器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。變頻器不僅僅是一種性能優(yōu)良的電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置，而且以最合理的方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行全面控制?？梢詫?shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和軟停車；可以實(shí)現(xiàn)頻繁的起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停車和制動(dòng)等，并且還有完善的保護(hù)電路，電機(jī)不需要另外設(shè)計(jì)保護(hù)電路。另外，變頻器的節(jié)能效果也比較顯著。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：方案一的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直流電機(jī)，方案二和方案三的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是交流異步電機(jī)。兩種電機(jī)的比較如下8。由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在以下缺點(diǎn)： 需要定期更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命較短； 由于直流電動(dòng)機(jī)存在換向火花，難以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以制造出大容量、高轉(zhuǎn)速

42、和高電壓的直流電動(dòng)機(jī)。而與直流電動(dòng)機(jī)相比，交流電動(dòng)機(jī)則具有以下優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作可靠，易于維修保養(yǎng)； 不存在換向火花，可以應(yīng)用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； 容易制造出大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓的交流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，又有換向器和電刷，在運(yùn)行中常出故障。與此相反，交流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，方案三在控制器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)上明顯優(yōu)于方案一.和方案二相比，盡管使用了變頻器，價(jià)格會(huì)貴一些。但是方案三可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，接線簡單，操作維護(hù)方便，可靠性和安全性能高，對(duì)電機(jī)能夠起到很好的保護(hù)作用，節(jié)能效果也比較理想，能夠很好的滿足控制要求，所以本設(shè)計(jì)采

43、用方案三。4系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)、PLC及外圍線路的設(shè)計(jì)、相關(guān)硬件選型、操作面板設(shè)計(jì)、電氣線路的設(shè)計(jì)等。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要指PLC控制程序的編制及調(diào)試等。4.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括電氣原理圖設(shè)計(jì)、元件選型和操作面板設(shè)計(jì)組成。電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；PLC外部接線電路是指操作面板、傳感器、變頻器等與PLC的連接電路，PLC作為系統(tǒng)的控制器，對(duì)旋轉(zhuǎn)門的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)化控制；變頻器電路主要是指異步電機(jī)的控制電路；操作面板是人與PLC控制系統(tǒng)交換信息的中介設(shè)備。通過它可以了解和控制現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。具體如附錄1（電路總圖）所示。設(shè)計(jì)過程：先進(jìn)行系統(tǒng)

44、電源設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行電氣元器件的選擇。電氣元器件的選擇主要是根據(jù)控制要求選擇傳感器、行程開關(guān)、變頻器、按鈕、指示燈、保護(hù)電器等。之后進(jìn)行PLC選型和I/O口地址分配，繪制電氣控制系統(tǒng)原理圖。電氣控制系統(tǒng)原理圖包括主電路和控制電路?？刂齐娐分邪≒LC的I/O口接線和自動(dòng)部分的詳細(xì)連接等，有時(shí)還要在電氣原理圖中標(biāo)上器件代號(hào)或另外配上安裝圖、端子接線圖等，以方便操作面板的安裝。最后對(duì)操作面板進(jìn)行設(shè)計(jì)。操作面板設(shè)計(jì)是設(shè)置啟動(dòng)、停止按鈕、與旋轉(zhuǎn)門運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的指示燈以及報(bào)警顯示等。4.1.1 電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)要求，電源電路分為三個(gè)部分。電路如圖4.1所示：（1）為主電路的變頻器提供380V，50Hz

45、的交流電源；（2）為PLC提供220V，50Hz的交流電源；（3）為外部傳感器提供24V的直流電源。變頻器的電源：從三相四線制的電網(wǎng)上引出L1、L2、L3，再通過空氣隔離開關(guān)和電磁接觸器從R、S、T進(jìn)入到變頻器中。另外，如果外部干擾比較嚴(yán)重時(shí)，可以在電路中添加濾波器和電抗器等。PLC供電電源：為50Hz、220（110%）V的交流電,輸出端口為。對(duì)于電源線來的干擾，PLC本身具有足夠的抵制能力。對(duì)于可靠性要求很高的場(chǎng)合或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境，可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的變比為1：1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。還可以在電源輸入端串接LC濾波器。圖4.1 系統(tǒng)電源電路傳感器電源：一般情況下

46、，PLC的內(nèi)部開關(guān)電源電路可以提供+24V電源用作輸入電路的電源，也可以作為外接傳感器的電源。但是在本設(shè)計(jì)中，考慮到傳感器數(shù)量較多以及減少干擾，單獨(dú)使用直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等組成9。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?6V，然后通過橋式整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的波紋，必須通過濾波電容C1加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有上下10%的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸

47、出電壓穩(wěn)定。采用三端集成穩(wěn)壓器7824作為穩(wěn)壓器。電容C2、C3用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C4是電解電容，可以減少穩(wěn)壓電源輸出端右輸入電源引入的低頻干擾。D是輸入端放電保護(hù)二極管。正常工作時(shí)，輸入、輸出電壓差為23V，滿足傳感器的電源要求。4.1.2 傳感器的選型（1）傳感器的選用原則傳感器的可靠性是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)門控制系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，正確合理地選用傳感器，是需要認(rèn)真考慮的問題。選擇傳感器主要考慮其靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和測(cè)量方式等三方面的問題，而靜態(tài)特性又包括靈敏度、線形度、精度等指標(biāo)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)包括穩(wěn)定性、快速

48、性等指標(biāo)。 靈敏度 一般來說，靈敏度傳感器越高越好，因?yàn)殪`敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測(cè)量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。 線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成正比例關(guān)系，線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。然而，對(duì)于任何傳感器，保證其絕對(duì)工作在區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可的限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性質(zhì)。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間很溫度。為了保證穩(wěn)定性，在選擇傳感器時(shí)，一般應(yīng)該注意兩個(gè)問題。其一，

49、根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。其二，要?jiǎng)?chuàng)造或保持一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境。在要求傳感器長期地工作而不需要經(jīng)常地變更或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。 快速性傳感器在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，為保證不失真的測(cè)量條件，其輸出響應(yīng)總不可避免地有一定的延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。一般物理型傳感器（如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器），響應(yīng)時(shí)間短，可工作頻率寬；而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，往往由于機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，影響到傳感器的工作頻率范圍。 精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的一致程度。傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)的反映被測(cè)量，對(duì)整

50、個(gè)測(cè)試系統(tǒng)具有直接的影響。然而在實(shí)際中也并非要求傳感器的精確度越高越好，還需要考慮到測(cè)量目的，同時(shí)還需要考慮到經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)閭鞲衅鞯木仍礁撸鋬r(jià)格就越昂貴，所以應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來選擇傳感器。 測(cè)量方式傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，也是選擇傳感器應(yīng)考慮的重要因素，例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等，條件不同，對(duì)測(cè)量方式的要求亦不同。（2）接近傳感器本設(shè)計(jì)的接近傳感器采用的是光電開關(guān)。光電開關(guān)是接近開關(guān)的一種，它除克服了接觸式行程開關(guān)存在的諸多不足外，還克服了接近開關(guān)的作用距離短、不能直接檢測(cè)非金屬材料等缺點(diǎn)。它具有體積小、功能多、壽命長、精度高，響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及

51、抗電磁干擾能力強(qiáng)等缺點(diǎn)。還可非接觸、無損傷地檢測(cè)和控制各種固體、液體、透明體、黑體、柔軟體和煙霧等物質(zhì)的狀態(tài)和動(dòng)作。目前，光電開關(guān)已被用做物位檢測(cè)、液體控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測(cè)、定長剪切、孔洞識(shí)別、信號(hào)延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出以及安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域10。光電開關(guān)按檢測(cè)方式可分反射式、對(duì)射式和鏡面反射式三種類型。光電開關(guān)一般都具有良好的回差特性，即使被檢測(cè)物在小范圍內(nèi)的晃動(dòng)也不會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的輸出狀態(tài)，從而可使其保持在穩(wěn)定工作區(qū)。同時(shí)，自診斷系統(tǒng)還可以顯示受光狀態(tài)和穩(wěn)定工作區(qū)，以隨時(shí)監(jiān)視光電開關(guān)的工作。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器，接收器和檢測(cè)電路。圖4.2是

52、反射式光電開關(guān)的工作原理框圖。圖中，由振蕩回路產(chǎn)生的調(diào)制脈沖經(jīng)反射電路后，由發(fā)光管GL輻射出光脈沖。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，被反射回來的光脈沖進(jìn)入光敏三極管DU；并在接收電路中將光脈沖解調(diào)為電脈沖信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和同步選通整形，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，最后經(jīng)延時(shí)（或不延時(shí)）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)輸出光電開關(guān)控制信號(hào)。圖 4.2 反射式光電開關(guān)的工作原理框圖綜上所述，本設(shè)計(jì)采用的是PTK-5555-320型反射式光電開關(guān)來作為接近傳感器。檢測(cè)區(qū)域：4m2m，輸入電壓：24VDC。接近傳感器安裝在自動(dòng)門的出口和入口位置。當(dāng)人從不同的方向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)門時(shí)，該傳感器檢測(cè)到人體后，信號(hào)發(fā)送到PL

53、C中，使旋轉(zhuǎn)門工作在不同轉(zhuǎn)速。（3）防夾傳感器現(xiàn)在的防夾傳感器大部分都是紅外線傳感器。紅外線傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元組成。它利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射來檢出物體的有或無，光電傳感器檢測(cè)不局限于金屬，對(duì)其他物體均可檢測(cè)，而且檢測(cè)距離是接近開關(guān)不能相比的11。感知人體最簡單的方法是用紅外線傳感器。因?yàn)槿梭w比其他物體溫度高，故可根據(jù)紅外線的能量進(jìn)行檢測(cè)。人體產(chǎn)生的紅外線波長為10左右。因此用遠(yuǎn)紅外線傳感器最為合適。在設(shè)計(jì)中采用的是HM系列的Eagle紅外線傳感器。安裝在旋轉(zhuǎn)門出入口的右側(cè)邊緣位置，其感應(yīng)角度垂直向下，感應(yīng)范圍為距離門右側(cè)立柱700（可調(diào)），當(dāng)人或

54、物體進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域后，旋轉(zhuǎn)門的旋轉(zhuǎn)翼前沿也轉(zhuǎn)到了該區(qū)域，則自動(dòng)門立即停止旋轉(zhuǎn)，保護(hù)人和物品的安全，即防夾保護(hù)。人或物體離開后，旋轉(zhuǎn)門恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速。（4）定位行程開關(guān)行程開關(guān)又稱為限位開關(guān)，是一種利用生產(chǎn)機(jī)械某些運(yùn)動(dòng)部件的碰撞來發(fā)出控制命令的主令電器。用于控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方向、速度、行程大小或位置的一種自動(dòng)控制器件。行程開關(guān)廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床、起重機(jī)械以及輕工機(jī)械的行程控制。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)到某一預(yù)定位置時(shí)，行程開關(guān)通過機(jī)械可動(dòng)部分的動(dòng)作，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的控制，限制它們的動(dòng)作和位置，借此對(duì)生產(chǎn)機(jī)械給以必要的保護(hù)。行程開關(guān)按其機(jī)構(gòu)可分為直動(dòng)式（如LX1、JLXK1系列）、滾輪

55、式（如LX1、JLXK2系列）和微動(dòng)式（如LXW-11、JLXK1-11系列）三種。本設(shè)計(jì)中采用的是直動(dòng)式LX1系列行程開關(guān)，可以很方便的確保旋轉(zhuǎn)門旋轉(zhuǎn)翼的初始位置。4.1.3 異步電動(dòng)機(jī)的選型當(dāng)使用異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)自身運(yùn)行工況的改變等原因，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)以及參數(shù)等環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。（1）電動(dòng)機(jī)容量的選擇選擇電動(dòng)機(jī)容量的基本原則是：能帶動(dòng)負(fù)載，在生產(chǎn)工藝所要求的各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)長期運(yùn)行不過熱，在舊設(shè)備改造時(shí)，要盡可能地留用原設(shè)備的電動(dòng)機(jī)。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)應(yīng)考慮幾點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)容量、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載所需要的功率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；電源電壓下降10%15%的情況下，轉(zhuǎn)矩仍能滿足起動(dòng)或運(yùn)行中的

56、需要；從電動(dòng)機(jī)溫升角度考慮，為了不降低電動(dòng)機(jī)的壽命，溫升必須在絕緣所限制的范圍之內(nèi)；如果電動(dòng)機(jī)每次在最低頻率運(yùn)行的時(shí)間不長，則可以留用原有電動(dòng)機(jī)；反之，如果在最低頻率時(shí)連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間較長，則電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)提高一檔。（2）電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)的選擇（3）電動(dòng)機(jī)工作頻率的選擇（4）低速時(shí)的散熱能力問題：通用的標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力，是按額定轉(zhuǎn)速且冷卻風(fēng)扇與電動(dòng)機(jī)同軸的條件下考慮冷卻風(fēng)量的。當(dāng)使用變頻器之后，在電機(jī)運(yùn)行速度降低的情況下冷卻風(fēng)量將自動(dòng)變小，散熱能力隨之變差。由于電動(dòng)機(jī)的溫升與冷卻風(fēng)量之間成反比，所以在額定速度以下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，可采用設(shè)置恒速冷卻風(fēng)扇的辦法，改善低速運(yùn)行條件下電動(dòng)機(jī)的散熱問題。根據(jù)選型規(guī)則，結(jié)合旋轉(zhuǎn)門負(fù)載的實(shí)際情況，選用額定功率為1.5kW、額定電壓為220V、頻率50Hz; 四極籠型異步電動(dòng)機(jī)作為旋轉(zhuǎn)門的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。4.1.4 變頻器的選型（1）變頻器選型規(guī)則：變頻器容量的選擇是一個(gè)重要且復(fù)雜的問題，要考慮變頻器容量與電動(dòng)機(jī)容量的匹配，容易偏小會(huì)影響電動(dòng)機(jī)有效力矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電流的諧波分量會(huì)增大，也增加了設(shè)備投資。變頻器容量選擇可分三步： 了解負(fù)載性質(zhì)和變化規(guī)律，計(jì)算出負(fù)載電流的大小或